Исследование влияния температуры импульсного горячего прессования и отжига на структуру и механические свойства карбидостали. Получение текстурированной мелкозернистой микроструктуры и обеспечение повышенных физико-механических свойств материала.
Аннотация к работе
Міжвузівський збірник "НАУКОВІ НОТАТКИ". Випуск №47 207Исследовано влияние температуры импульсного горячего прессования и последующего отжига на структуру и некоторые механические свойства карбидостали. Показано, что использование импульсного горячего прессования приводит к получению текстурированной мелкозернистой микроструктуры и обеспечению повышенных физико-механических свойств материала. Ключевые слова: нержавеющая сталь, карбидосталь, импульсное прессование, карбид хрома, отжиг. Досліджено вплив температури імпульсного гарячого пресування і наступного відпалу на структуру і деякі механічні властивості карбідосталі. Показано, що використання імпульсного гарячого пресування призводить до отримання текстурованої дрібнозернистої мікроструктури і забезпеченню підвищених фізико-механічних властивостей матеріалу.Применение метода интенсивной горячей деформации позволяет получить высокую однородность прочности, которая обеспечивает высокую эксплуатационную надежность сплавов, полученных этим методом. После достижения заданного уровня температуры делали изотермическую выдержку, длительностью 20 мин и осуществляли прессование в вакууме. С целью повышения диффузионного взаимодействия между частицами карбида и стали, часть образцов после ИГП поддавали отжигу при температуре 1150°С в течение 60 минут в вакууме.
Введение
Применение метода интенсивной горячей деформации позволяет получить высокую однородность прочности, которая обеспечивает высокую эксплуатационную надежность сплавов, полученных этим методом. С формированием практически беспористого материала проходит формирование готовой детали, которая имеет высокую чистоту поверхности и точные размеры [1-3].
Нержавеющие стали, экономлегированные никелем, из экономической, технологической точек зрения и за уровнем физико-механических свойств являются наиболее пригодной основой для создания карбидосталей с участием карбида хрома. Эти сплавы малоисследованы, вместе с тем по уровню физико-механических и эксплуатационных свойств они являются перспективными материалами для изготовления деталей с повышенной износостойкостью, которые могут также эксплуатироваться в коррозионноактивных средах.
Целью работы являлось исследование физико-механических свойств карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2, полученной импульсным горячим прессованием (ИГП) в вакууме.
Методика эксперимента. Смеси порошков Х17Н2 с 30% об. Cr3C2 подвергали совместному размолу-смешиванию в шаровой мельнице в среде спирта. Прессование проводили при комнатной температуре в заготовки-брикеты, пористость брикетов составляла 40 %. Затем заготовки загружали в вакуумную камеру установки для импульсного горячего прессования. После достижения заданного уровня температуры делали изотермическую выдержку, длительностью 20 мин и осуществляли прессование в вакууме. Уплотнение заготовки проходило в закрытой графитовой матрице при скорости перемещения пуансонов ~ 8 м/с. После уплотнения спрессованную заготовку охлаждали в вакуумной камере.
Для импульсного компактирования заготовок были выбран следующий интервал температур: 1000-1200 ?С. С целью повышения диффузионного взаимодействия между частицами карбида и стали, часть образцов после ИГП поддавали отжигу при температуре 1150°С в течение 60 минут в вакууме.
Исследовали влияние температуры импульсного горячего прессования на формирования микроструктуры, плотность, предел прочности при изгибе и твердость по Роквелу. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе XJL-17 AT при увеличении 100 и выше.
Результаты экспериментов и их обсуждение. Отличительной особенностью метода ИГП являлось то, что его использование позволяет получить материал при температурах твердофазного
208 Міжвузівський збірник "НАУКОВІ НОТАТКИ". Луцьк, 2014. Випуск №47 спекания, что исключает рост размера зерен карбидной составляющей в отличии от спекании с участием жидкой фазы. Исследовали влияние температуры ИГП на плотность и пористость карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2 (Рис. 1 а, б).
Как видно из приведенных зависимостей получение образцов методом ИГП в интервале температур 1000-1200 °С мало влияет на изменение плотности и пористости. При этом формируются высокоплотные образцы с пористостью 1-4 %. Некоторое увеличение пористости до 4 % можно объяснить перекристаллизацией карбида хрома Cr3C2 в сложный карбид (Fe, Cr)7С3 [4]. В процессе чего происходит интенсивная взаимная гетеродиффузия железа, хрома и углерода, образовавшаяся диффузионная пористость не успевает залечится изза относительно низкой температуры и кратковременной выдержки. Для сравнения, спеченные при 1200 °С карбидостали Х17Н2- 30% об. Cr3C2 имеют до 14 % пор [5].
а б
Рис. 1. Зависимость плотности (а) и пористости (б) от температуры ИГП карбидосталей Х17Н2- 30% об. Cr3C2 (1 - образцы полученные ИГП; 2 - образцы полученные
ИГП с последующим отжигом)
Дополнительно было изучено удельное электрическое сопротивление, которое характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока. Этот метод, хотя и не раскрывает полную картину процессов уплотнения, но позволяет судить о степени совершенства контактов между частицами и завершенности процесса уплотнения, т.е. разрешает получить достаточно надежную информацию о консолидации порошкового тела. На (рис. 2) мы видим при температуре 1050 °С увеличением электросопротивления с 86 до 93 МКОМ•см, что соответствует увеличению пористости.
Рис. 2. Зависимость удельного электрического сопротивления от температуры ИГП карбидосталей Х17Н2- 30% об. Cr3C2 (1 - образцы полученные ИГП; 2 - образцы полученные
ИГП с последующим отжигом)
Для увеличения диффузионного взаимодействия между частицами карбида и стали с целью повышению физико-механических свойств был проведен высокотемпературный отжиг. На (рис. 1, а) видно что отжиг при температуре 1150 °С не привел к изменению плотности, т.к. приданной температуре в этой системе возможно только твердофазное взаимодействие, которое не может увеличить плотность уже продеформированых образцов.
Міжвузівський збірник "НАУКОВІ НОТАТКИ". Луцьк, 2014. Випуск №47 209
Рассматривая влияние отжига на электросопротивление образцов карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2, видим, что при температурах ИГП 1000-1100 °С электросопротивление отожженных образцов ниже, чем образцов без отжига, что вполне закономерно. Но при повышении температуры ИГП до 1150-1200 °С электросопротивление отожженных образцов несколько возрастает. Это скорее всего вызвано повышением объемного содержания образующихся сложных карбидов [3], которые ухудшают электрическую проводимость (Рис. 2).
Образцы, полученные ИГП имеют мелкозернистую трехфазную микроструктуру, светлая фаза - карбиды, более темная - металлическая матрица (Рис. 3). Повышение температуры ИГП от 1000 до 1200 °С приводит к росту карбидных зерен в среднем в 1,5 раза. Дополнительны отжиг приводит к гомогенизации микроструктуры карбидостали. Сравнение микроструктур отожженных и неотоженных образцов показали, что микроструктура отожженных - более равновесная и имеет четкие границы зерен (рис. 3, г, д, е).
а(ИГП1000°С)
б(ИГП1100°С)
г(ИГП1000°С отжиг1150°С)
д (ИГП1100°С отжиг1150°С)
в(ИГП1200°С) е (ИГП1200°С отжиг1150°С)
Рис. 3. Микроструктуры карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2, полученной ИГП и ИГП с последующим отжигом
210 Міжвузівський збірник "НАУКОВІ НОТАТКИ". Луцьк, 2014. Випуск №47
Следует отметить, что микроструктура карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2 имеет четко выраженную вытянутую форму зерен металлической матрицы. Это происходит изза радиальной составляющей усилия при ИГП, зерна вытягиваются в направлении, перпендикулярном направлению прессования.
Исследовали физико-механические свойства карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2, полученных с помощью импульсного горячего прессования в вакууме. Установлено, что для неотожженных образцов карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2, в зависимости от температуры импульсного горячего прессования, прочность на изгиб и твердость повышаются от 345 до 1366 МПА (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость прочности на изгиб (а) и твердости (б) от температуры ИГП карбидосталей Х17Н2- 30% об. Cr3C2 (1 - образцы полученные ИГП; 2 - образцы полученные
ИГП с последующим отжигом)
У отожженной карбидостали прочность на изгиб изменяется немонотонно, практически во всем температурном интервале и она выше, чем у неотоженных образцов карбидостали. При температуре ИГП 1100 °С она составляет 1545 МПА, что в 1,8 раз выше, чем у неотоженных образцов. Твердость с повышением температуры ИГП, для неотоженных образцов до температуры 1100 °С остается практически неизменной, а при повышении температуры до 1150-1200 °С - снижается с 82 до 78,5 HRA. Это может быть связано скорее всего с ростом зерен карбидной и металлической фаз. Отожженные карбидостали имеют твердость в диапазоне 81,5-82,7 HRA. Карбид хрома интенсивно взаимодействует с основой, происходит активная гетеродиффузия железа и хрома в карбид, а углерода в стальную матрицу, в результате чего увеличивается количество твердой фазы и повышение твердости.
Значительное влияние оказывает и последующий отжиг, который повышает прочность на изгиб и твердость, хотя плотность отоженных образцов несколько ниже, чем у неотоженных, поэтому повышение прочностных характеристик можно связывать только с увеличением межчастичного взаимодействия и повышение адгезионной прочности.
Заключение. Проведенное исследование влияния температуры импульсного горячего прессования на структуру и свойства отоженных и неотоженных образцов карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2 позволило установить, что использование метода ИГП в вакууме позволяет получить карбидостали с достаточным уровнем физико-механических свойств. Проведение последующего диффузионного отжига приводит к дальнейшему повышению прочности на изгиб и твердости карбидостали Х17Н2-30% об. Cr3C2. Полученные результаты позволяют рекомендовать данный материал для изготовления конструкционных изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания и действия коррозионноактивных сред.
1. Толочин А. И., Лаптев А. В., Головкова М. Е., Ковальченко М. С. Ультрамелкозернистый высококобальтовый твердый сплав ВК40. I. Структура и свойства сплава // Порошковая металлургия, 2008. - № 3/4. - С. 27-37.
2. Толочин А. И., Лаптев А. В., Головкова М. Е., Ковальченко М. С. Ультрамелкозернистый высококобальтовый твердый сплав ВК40. II. Связь механических свойств со структурой // Порошковая металлургия, 2008. - № 5/6. - С. 66-77.
3. Ковальченко М. С. Спекание порошковых материалов под внешним давлением // Порошковая металлургия. - 2011. - № 1/2. - С. 22-42.
4. Яковенко Р. В. Растворение карбида Cr3C2 в стальной матрице при спекании / Р. В. Яковенко, В. А. Маслюк, А. Н. Грипачевский, В. Б. Деймонтович // Порошковая металлургия. - 2011. - № 3/4. - С. 75-83.
5. Яковенко Р. В. Механические и трибологические свойства износо-корозионностойких карбидосталей системы сталь-Cr3C2 / Р. В. Яковенко, В. А. Маслюк, Г. А. Баглюк, В. Т. Варченко, Д. Н. Бродниковский //Международный специализированный научно-технический семинар «Композиционные фрикционные материалы: свойства, производство, применение», 25-26 мая 2010 г., Минск, Беларусь. - С. 122-130.